Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen

Molekülbetrachter ermöglichen Visualisierungen von Molekülstrukturen und -eigenschaften, die in ihrer Anschaulichkeit und Dynamik mit traditionellen Materialien nicht realisierbar sind. Die Einbettung der 3D-Moleküle in so genannte dynamische Arbeitsblätter eröffnet zudem neue Wege des Lehrens und Lernens.

Dynamische Arbeitsblätter sind digitale Unterrichtsmaterialien, die neben Informationstexten, Aufgabenstellungen und Abbildungen dynamische Elemente beinhalten. In der Mathematik sind diese Materialien bereits weit verbreitet. Dort werden Geometrie-Applets in HTML-Seiten eingebunden. Das "biologisch-chemische Pendant" zur dynamischen Geometrie-Software ist der Molekülbetrachter Jmol (plattformunabhängig, Open Source). Moleküle können am Monitor "mit der Maus angefasst", gedreht und gewendet und so interaktiv und dreidimensional erforscht werden. Zahlreiche Parameter der Moleküldarstellung können individuell geändert oder chemische Eigenschaften - ganz nach dem persönlichen "Forschungsinteresse" - dargestellt werden.

Moleküldatenbanken & Applets - nur bedingt unterrichtstauglich

Aspirin-Molekül mit Jmol-Menü
+"Nacktes" Jmol-Applet

Im Internet stehen umfangreiche Moleküldatenbanken mit Datensätzen - vom simplen Kohlenmonoxid bis hin zu komplexen Proteinstrukturen - zur Verfügung, die mit Jmol visualisierbar sind. Sie machen geometrische, chemische und biologische Eigenschaften von Molekülen im Browser "begreifbar". Das Problem dabei ist, dass die Applets meist als eigenständige Anwendungen über das komplexe Jmol-Menü gesteuert werden müssen. Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt ein Aspirin-Molekül mit aufgeklapptem Jmol-Menü. Die Vielzahl der Optionen sowie die englischsprachige Menüführung überfordern viele Lehrkräfte und insbesondere Lernende. Ist man im Umgang mit Jmol nicht sehr versiert, "klickt man herum" und "verzettelt" sich schnell. Solche "nackten" Applets sind daher allenfalls für die Präsentation per Beamer durch die Lehrperson geeignet, nicht jedoch für die selbstständige und effektive Bearbeitung durch Schülerinnen und Schüler.

Besser: Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen

Screenshot eines dynamischen  Arbeitsblatts zur ATP-Synthase
+Dynamisches Arbeitsblatt

Abb. 2 zeigt einen Screenshot aus einem Arbeitsblatt der Unterrichtseinheit zur ATP-Synthase. Dabei wurden bewährte Konzepte aufgegriffen, die am Institut für Mathematik und ihre Didaktik der Universität Bayreuth entwickelt wurden:

  • Lernen als individueller, aktiver und sozialer Prozess

    Der Einsatz dynamischer Arbeitsblätter bietet einen Rahmen, in dem Schülerinnen und Schüler sich eigenständig mit Problemstellungen und Arbeitsaufträgen auseinandersetzen können. So organisiertes Lernen wird zu einem aktiven Prozess. In einem zweiten Schritt werden dann diese Erfahrungen und erworbenen Kenntnisse mit einer Mitschülerin oder einem Mitschüler ausgetauscht. Lernen wird dabei zu einem sozialen Prozess, in dem Verständnisfehler geklärt, Probleme gemeinsam bewältigt und weiterführende Ideen entwickelt werden können. Lernen und Handeln sind eng miteinander verknüpft.
  • Dokumentation als unverzichtbares Element

    Eine unverzichtbare Grundlage für eine vertiefte Auseinandersetzung mit dem Lerngegenstand liegt in der schriftlichen Dokumentation des individuellen Lernweges. In der Aufforderung, Beobachtungen, Hypothesen und Ergebnisse schriftlich festzuhalten, verlangsamt sich der Prozess des "Durchklickens". Es ermöglicht den Lernenden, ihre Ergebnisse noch einmal zu überdenken und gegebenenfalls zu korrigieren. Experimentell entdeckendes Lernen am Computer und Dokumentation im Schülerheft oder Lerntagebuch bilden so eine Einheit.

Mehrwert für den Unterricht

Eigenständiges Lernen fördern

Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen erlauben eine eigenständige und intuitive Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit der Struktur und - im Fall von Biomolekülen - der Funktion der untersuchten Substanzen. Im Rahmen der Schulzeitverkürzung nimmt das Selbstlernen einen immer höheren Stellenwert ein. Der Bedarf an geeigneten Medien steigt. Alternativ zur Bearbeitung im Regelunterricht können die Lernenden die Materialien in schulischen Selbstlernzentren, aber auch zu Hause nutzen. Dynamische Arbeitsblätter sind somit eine wichtiges Medium zur geforderten Förderung des eigenständigen Lernens.

Das Problem mit der räumlichen Vorstellung

Insbesondere Schülerinnen und Schüler mit einem weniger ausgeprägten räumlichen Vorstellungsvermögen haben Probleme, wenn es darum geht, sich Strukturen aus zweidimensionalen Abbildungen oder den Fischer-Projektionen eines klassischen Tafelbildes zu erschließen. Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen entschärfen Schwächen im räumlichen Vorstellungsvermögen und ermöglichen "selbstständige Entdeckungsreisen". Die Möglichkeit, digitale Molekülmodelle am Bildschirm beliebig drehen und wenden zu können, den Grad der Übersichtlichkeit durch Ausblenden oder Hervorheben bestimmter Strukturelemente zu variieren, erleichtert den Schülerinnen und Schülern das "räumliche Lesen" komplexer Strukturen enorm.

Literatur

  • Nolte, Matthias

    Virtueller Chemieunterricht - Einsatz von dynamischen Folien und Arbeitsblättern, Friedrich Verlag, Unterricht Chemie 20 (2009) Nr. 110, Seite 94-95

Dr. André Diesel ist Diplom-Biologe und Fachredakteur für Naturwissenschaften, Mathematik und Geographie bei Lehrer-Online.

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